LE CONCENTRATEUR D EAU D ÉRABLE. Donald Lemelin, conseiller pigiste Formation en ingénierie

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1 LE CONCENTRATEUR D EAU D ÉRABLE Faire plus avec sa membrane Donald Lemelin, conseiller pigiste Formation en ingénierie Club d encadrement technique acéricole des Appalaches (CETAA) Pour le compte du ministère de l Agriculture, des Pêcheries et de l Alimentation (MAPAQ) 2013

2 COLLABORATEURS Voici les personnes ayant collaboré à l élaboration de ce texte et du DVD : Alfa Arzate, ingénieure, Ph. D., chercheur, Centre ACER; Alain Boily, agronome, conseiller régional en acériculture, MAPAQ; Richard Boivin, réalisateur, caméraman et monteur; Joël Boutin, technologiste agricole, conseiller acéricole, CETAA; Marie-Josée Lepage, conseillère aux entreprises acéricoles et en transformation, MAPAQ; Marcel Moreau, conseiller en acériculture, MAPAQ. REMERCIEMENTS Nous remercions la collaboration de M. Léandre Landry. Il a mis ses installations et son expérience au service de l équipe de travail de ce projet. Nous remercions aussi M. Michel Labbé pour avoir mis une partie de son équipement à notre disposition ainsi que les enseignants et les étudiants en acériculture du Centre de formation agricole de Saint- Anselme. Nous remercions M. Denis Côté, de Memprotec inc., et M. Donald Lapierre, de Les Équipements Lapierre inc., ainsi que M. Martin Chabot, de Les Équipements d érablière CDL inc., pour le temps consacré à nos demandes. Nous remercions le Centre ACER de nous avoir permis d utiliser plusieurs images tirées du Cahier de transfert technologique en acériculture ou d autres documents ainsi que d avoir autorisé la collaboration de la chercheur Alfa Arzate. Nous remercions les compagnies suivantes qui ont bien voulu fournir leurs documents d opération et d entretien : Dominion & Grim inc. H 2 O Innovation inc. Les Équipements d érablière CDL inc. Les Équipements Lapierre inc. MemProTec inc. Nous remercions aussi tous les collaborateurs directs et indirects à l élaboration de ce projet. PRÉCISIONS 1. Le choix des instruments utilisés dans ce document n est surtout pas une recommandation de notre part pour une marque ou modèle plutôt qu un autre. Ce sont les appareils disponibles, lors de l élaboration du texte et du DVD, qui ont supporté les grands principes de connaissance et d utilisation des concentrateurs d eau d érable. 2. Étant donné le peu de recherches et le grand nombre d expériences en matière de concentrateur d eau d érable, la théorie ainsi que les recommandations faites dans ce document sont basés sur le travail du Centre Acer, celui de l industrie et sur l expérience terrain. 3. Il n y a rien qui remplace «les recommandations du fabricant» à moins d autorisation de celui-ci. 2

3 TABLE DES MATIÈRES Collaborateurs...2 Remerciements... 2 Précisions...2 PARTIE 1 1. Introduction Les bénéfices d une bonne utilisation et d un bon entretien des membranes Osmose, osmose inverse et nanofiltration Les composantes d un concentrateur de sirop d érable Les aménagements possibles des membranes Le volume mort et le volume mort résiduel Définitions de VM et VMR Comment déterminer les VM et VMR L achat d un concentrateur d eau d érable Votre érablière Vos projets d expansion Votre fournisseur et vous Montage du concentrateur d eau d érable en début de saison Montage membrane Autres raccordements...18 PARTIE 2 9. Mise en marche en début de saison La membrane de l année dernière L eau disponible La préparation des membranes Une membrane neuve Mode concentration À prime abord On concentre Le colmatage La perméabilité à l eau pure (PEP) et l efficacité La perméabilité à l eau pure Efficacité d une membrane Le PEP, méthode simplifiée Le PEP pour les systèmes à plusieurs membranes L intégrité du filtrat Évaluation de la turbidité Évaluation du filtrat par évaporation Évaluation de la conductivité électrique du filtrat L entretien d un concentrateur d eau d érable...16 PARTIE Quoi faire avec les préfiltres? On les change quand? Le changement de cartouche de préfiltre Le rinçage...2 3

4 Est-ce le temps de rincer? Désucrage Rinçage court (à froid) Rinçage long à chaud Rinçage long à froid Lavage Lavage basique (ou alcalin) Lavage acide Lavage enzymatique Problème de fuites Registres des opérations, performances et entretiens du concentrateur d eau d érable Le remisage des membranes et fermeture du concentrateur Le remisage temporaire Le remisage à long terme La fermeture du concentrateur d eau d érable La disposition des eaux de rinçage et des solutions de lavage et entreposage Astuces de travail Conclusion Lexique...13 Bibliographie...15 Annexe 1 Exemple de fiche technique de membrane.. 17 Annexe 2 Tableau d entretien d un concentrateur d eau d érable...19 Annexe 3 Diagramme décisionnel d entretien...21 Annexe 4 Registre de mesures des conductivités du filtrat...22 Annexe 5 Registre des opérations et entretiens...23 Annexe 6 Registre des performances et entretiens (Mesure du PEP et de l efficacité)

5 LE CONCENTRATEUR D EAU D ÉRABLE Faire plus avec sa membrane 1. Introduction La fabrication du sirop d érable est le produit de la concentration de la sève printanière de l arbre du même nom et sous certaines conditions afin de développer sa saveur caractéristique. Depuis plusieurs années, voire plusieurs siècles, la concentration est induite par une source de chaleur qui permet d évaporer une quantité d eau précise de la sève pour que la solution obtenue prenne le nom de sirop d érable. Or, une avancée des plus importantes dans le processus de concentration est apparue au début des années 80 : l osmose inverse, phénomène naturel et technique déjà utilisé dans d autres domaines. L osmose inverse permet, avec l ajout de pression sur le liquide et d une membrane adaptée, d extraire une partie de l eau de sève avant de diriger la solution plus concentrée en sucre vers la source de chaleur pour finir le procédé d évaporation et de fabrication des composés responsables de sa saveur. Comme tout procédé technique, l osmose inverse a évolué vers ce que l on appelle la technique de nanofiltration, soit une séparation membranaire très proche parente de l osmose inverse. Les principaux avantages de l osmose inverse et de la nanofiltration sont : l économie de combustible, bois ou huile, étant donné la quantité d eau moindre à évaporer; l augmentation de la rentabilité; la diminution du temps nécessaire pour l étape d ébullition; l augmentation de la disponibilité pour d autres tâches dans l exploitation; l augmentation de la qualité de vie des personnes en donnant la possibilité de réduire le nombre d heures de travail; les gains environnementaux en diminuant la consommation d énergie non renouvelable, et par le fait même, la diminution des gaz à effet de serre; la possibilité de grossir les entreprises. Cette technique s est solidement implantée dans le secteur acéricole. Cette nouvelle technologie n a pas apporté que des avantages. Elle a son lot d exigences pour arriver à atteindre une performance optimale de la membrane, qui doit conserver ses qualités de filtration le plus longtemps possible. Dans d autres applications, la membrane a une durée de vie de 10 ans et peut-être plus, et ce, avec un fonctionnement 24 heures sur 24, 365 jours par année. Or, en milieu acéricole, avec un fonctionnement d environ 160 à 200 heures par année, on pourrait espérer une durée de vie d au moins 10 années selon certains fournisseurs et conseillers techniques. Toutefois, sur le terrain, les membranes ont une durée de vie qui varie entre 1 jour et plus de 10 ans. Pourquoi les membranes ont-ils une vie si courte? Serait-ce que les opérateurs manquent de formation? Ou transgressent-ils les recommandations du fabricant en se disant que ce n est qu une machine et que l on peut «y tordre la vis au besoin»? Peut-être que les signaux avertissant d un problème ne sont pas compris ou écoutés pour entreprendre à temps une correction? Parfois, sans aucun signal de mal fonctionnement, un problème de 5

6 membrane peut être présent et faire en sorte de laisser passer une quantité de sucre assez importante. Ce texte ainsi que le DVD l accompagnant ont pour but d expliquer le phénomène de la nanofiltration ainsi que de décrire toutes les composantes d un concentrateur d eau d érable afin d uniformiser le vocabulaire et d en maîtriser le fonctionnement. Toutes les principales opérations en cours d une saison seront passées en revue pour mieux comprendre les recommandations d usage de cette méthode de concentration. Évidemment, le contenu ne correspondra pas exactement à un appareil précis vendu sur le marché. Les principes généraux applicables à tous les appareils seront privilégiés. Une fois les principes compris, chacun pourra améliorer la maîtrise de son appareil et prolonger la vie de ses membranes. Il demeure que les instructions du fabricant priment afin que ce dernier puisse honorer la garantie. C est pour cette raison que tout au long de ce texte, la petite note suivante apparaîtra : «suivre les recommandations du fabricant». 2. Les bénéfices d une bonne utilisation et d un bon entretien des membranes Acheter un concentrateur d eau d érable est une opération relativement facile, encore fautil bien établir ses besoins et contraintes, s informer de ce qui se fait sur le marché, bien comprendre les principes et le fonctionnement général d un concentrateur. Ce sujet sera traité à la section 7 de ce document. Bon nombre d acériculteurs ne se soucient pas de savoir si la ou les membranes de leur concentrateur laissent passer autre chose que de l eau. Pour eux, le filtrat est de par sa nature pure chimiquement et bactériologiquement, et donc exempt de sucre. Telle est la surprise de certains d entre eux que d apprendre, après vérification, qu ils perdent dans leur filtrat jusqu à 15 % de sirop au cours d une saison, selon le technicien agricole Joël Boutin. Et que, de plus, ils réalisent des opérations de nettoyage avec une eau chargée de sucre et autres éléments indésirables. Une méconnaissance de la gestion de la membrane peut causer des pertes monétaires ou des coûts d entretien qui autrement seraient évités. Il arrive même que le système semble bien fonctionner : bonne pression, bon débit, assez belle apparence de l eau. Alors, pourquoi s inquiéter? Il se peut que la membrane, pour diverses raisons, soit altérée en partie en raison de micro-déchirures dues à un mauvais préfiltrage. À ce titre, voici un exemple rapporté par Joël Boutin. Un conseiller arrive chez un nouveau client qui lui dit que tout va bien avec son concentrateur. Effectivement, il concentrait son eau d érable, mais il ne savait pas s il allait chercher le maximum de ses installations. Le conseiller fait des tests de bouillage de filtrat et arrive à une concentration de 10 % de sucre, ce qui représentait, pour ce cas spécifique, des pertes de 4000 livres de sirop dans sa saison. Si on évalue cette perte à 2,75 $ la livre, c est une perte de $ dans une saison moyenne. Un autre cas moins extrême est décrit par le conseiller acéricole du ministère de l Agriculture, des Pêcheries et de l Alimentation du Québec Marcel Moreau à propos d une érablière de entailles. Un concentrateur à cinq membranes, dont une à problèmes occasionnant des pertes de 0,52 % de sirop, soit 377 livres à 3,30 $/livre pour un montant de 1244 $. La constatation de cette perte a entraîné le changement de la membrane. Ce sont deux cas parmi tant d autres. Il est important de connaître et de vérifier régulièrement la performance de son appareil. 6

7 Ce mauvais fonctionnement, comme dans le deuxième cas, peut entraîner le remplacement de la membrane. Même si le coût des membranes a beaucoup baissé dernièrement, il reste qu il faut débourser environ 1000 $ à chaque remplacement. Si la durée de vie passe de 5 à 10 ans en appliquant les règles de contrôle nécessaires, on vient de réduire de moitié le coût de remplacement des membranes. Pour un propriétaire qui possède un système à cinq membranes, on calcule une économie d environ 5000 $. Le temps d attente de la membrane neuve occasionne aussi des dépenses si on est obligé de concentrer à un degré moindre ou si on prend plus de temps pour la période de concentration. Toutes les économies ainsi que les augmentations de revenus sont importantes au point de vue économique. Et je n ai pas parlé de la satisfaction de travailler avec des systèmes en ordre, qui produisent selon les attentes réalistes fixées lors de l achat. 3. Osmose, osmose inverse et nanofiltration Pour bien comprendre les concentrateurs d eau d érable et leur fonctionnement, la connaissance des phénomènes et techniques en cause peut s avérer un atout. Dans la nature, le phénomène physiologique de l osmose est omniprésent. Il consiste au déplacement de l eau à travers une membrane semi-perméable, qui ne laisse passer que les molécules d eau en retenant toutes les autres (sucre, minéraux, micro-organismes) à 2 contenants d eau L eau de A se dirige vers B pour diminuer la concentration de B Ajout de sucre dans le B Eau Eau A Eau B 1 Membrane perméable 2 Membrane perméable Le niveau de la solution B monte et celui de A descend La solution B est moins concentrée A Eau B A Eau Posmotique B Phydraulique H 3 Membrane perméable 4 Membrane perméable Figure 1 : Illustration du phénomène d osmose inverse. 7

8 partir d un milieu moins concentré vers un milieu plus concentré. C est en quelque sorte cette différence de concentration qui devient le moteur du phénomène. Le but de ce processus est d équilibrer les deux solutions en termes de concentration. La figure 1 illustre le phénomène. À l étape 1, deux contenants reliés par une membrane semi-perméable contiennent de l eau pure. Aucun mouvement d eau ne se produit. À l étape 2, on ajoute du sucre dans le contenant B, ce qui crée une solution concentrée. C est là que le phénomène d osmose entre en jeu et initie un mouvement de l eau du contenant A vers le contenant B, qui est plus concentré. Comme illustré en 3, le niveau de la solution de B monte. Il va arrêter de monter à la hauteur H, voir en 4. Cette dénivellation de hauteur H entre les 2 surfaces représente une pression que l on dit hydraulique, égale à la pression osmotique qui tente de continuer le mouvement de A vers B. Qu est-ce qui arriverait si on exerçait une pression mécanique, au moyen d une pompe, sur le dessus de la solution du contenant B afin d abaisser le niveau de la solution (voir figure 2)? Pour ce faire, il faut que cette force mécanique soit plus grande que la pression La solution B moins concentrée L eau passe de B vers A et le niveau monte dans A La solution B devient plus concentrée A Eau Posmotiqu B Phydraulique H A Eau Posmotique B Pmécanique Membrane perméable Membrane perméable Figure 2 : Principe osmose inverse. osmotique pour inverser le phénomène naturelle, d où son appellation. Ainsi, on inverse le sens de l écoulement de l eau du contenant B vers le contenant A. En acériculture, le contenant B contient l eau d érable qui est concentrée. La sève, en se concentrant, diminue en volume. Le contenant A recueille l eau débarrassée de son sucre et, dans certains cas, d autres éléments qui devient le filtrat. Plus la concentration de la solution en B augmente, plus la pression naturelle osmotique augmente et s oppose au passage de l eau et à la pression mécanique. Le débit à travers la membrane diminue progressivement pour cesser complètement selon une pression donnée. Si on veut repartir le passage de l eau vers A, il faudra augmenter la pression. Les membranes utilisées pour l osmose inverse affichent une restriction quant au débit de traitement. En acériculture, on tente d augmenter le plus possible ce débit afin diminuer le nombre d heures de concentration pour une érablière donnée. Les intervenants du milieu 8

9 acéricole ont fait des recherches de types de membrane qui pourraient améliorer les performances de perméabilité. C est ainsi que la nanofiltration est apparue dans le paysage de la concentration membranaire. Procédé Taille des pores Pression d opération (psi) Perméabilité à l eau pure à 25 C (L/h/m2) Nanofiltration 1 nm 100 à à 35 Ce qui traverse la membrane Eau, Na+, K+ et petites molécules Applications Concentration eau d érable, séparation et concentration d antibiotiques. Osmose inverse Membrane dense (genre feutrée) 450 à à 15 1 nm ou 1 nanomètre = 0, mètre ou 1 x 10-9 mètre Tableau 1 : Taille des pores et applications de 2 procédés de concentration. Eau Concentration d eau d érable, concentration de lactosérum, de sang et de blanc d œuf. La nanofiltration tire son nom de l unité de mesure, soit le nanomètre (1 x 10-9 mètre voir tableau 1). La membrane conçue pour ce procédé de filtration est basée sur le concept du tamisage et est donc dotée de petits trous de l ordre du nanomètre. Figure 3 : Illustration des 2 types de séparations par membrane. Le tableau 1 donne les propriétés des membranes d osmose inverse et de nanofiltration propre à l acériculture. La nanofiltration permet donc un plus grand passage de solution à une pression plus basse, parce qu elle a moins de restriction que la membrane d osmose inverse. La figure 3 illustre la différence de la taille des pores sur le passage des éléments. Le passage ne dépend pas seulement du diamètre des trous, mais aussi des charges ioniques en présence. Le choix de la nanofiltration tient au fait que l on peut augmenter le débit de traitement d un concentrateur tout en maintenant une pression acceptable. Ceci permet de diminuer 9

10 le temps de concentration ou d augmenter la capacité des concentrateurs pour des érablières de grande envergure. Le tableau 2 donne les limites de température, de pression d opération et de ph de certaines membranes utilisées en osmose inverse et en nanofiltration. Membrane Température d opération max ( C) BW 30 (Filmtec) 45 Maple (Osmonics) NF 70 (Filmtec) 35 NF 270 (Filmtec) 45 NF 90 (Filmtec) 45 XLE 440 (Filmtec) 45 Maple sap Mark I 45 (Filmtec) Pression d opération max (psi) ph en opération continue 2 à 11 3 à 10 3 à 9 3 à 10 3 à 10 2 à 11 3 à 9 PVD à 8 (Hydranautics) TFC S8" (Koch) à 11 ph courte période lavage 1 à 13 1 à 11 1 à 11 1 à 12 1 à 13 1 à 13 2 à 11 Non 2 disponible à 9 2,5 à 11 Tableau 2 : Liste de membranes d osmose ou de nanofiltration avec leurs limites de température, de pression d opération et de ph. 4. Les composantes d un concentrateur d eau d érable Une fois le principe maîtrisé, une description sommaire de chacune des composantes d un concentrateur d eau d érable va permette une compréhension de l appareil et une Pompe d alimentation Circuit du filtrat Caisson et membrane Pompe haute pression (à piston ou à turbine) Préfiltration Circuit d alimentation (sève d érable) Circuit du concentré Circuit de recirculation Figure 4 Les composantes d un concentrateur d eau 10

11 uniformisation du vocabulaire utilisé tout au long de ce document. La figure 4 illustre un concentrateur d eau d érable qui est situé, dans la chaîne de fabrication du sirop, entre le réservoir d eau d érable et un réservoir du concentrée prêt à passer par l évaporateur. Le premier élément est la pompe d alimentation, qui apporte l eau d érable au système. Elle pousse cette eau dans le 2 e élément, le préfiltre, pour enlever les impuretés de 5 micromètres 1 et plus qui pourraient colmater et même altérer la membrane. Effectivement, les impuretés pourraient, si elles sont plus ou moins tranchantes, briser la membrane et ces microfissures laisseraient passer sucre et autres composés. Les préfiltres de 5 μm retiennent une partie du biofilm. Le troisième élément, la pompe à pression, monte la pression jusqu à 500 à 600 psi 2, selon le modèle et la capacité du système. En expliquant le phénomène d osmose inverse, on a vu que la pression est essentielle pour inverser le phénomène et augmenter le débit. Le caisson avec son module, quatrième élément et le cœur de la concentration, reçoit cette pression. Le module, communément appelée membrane, n est rien d autre que plusieurs membranes réunies deux par deux qui forme des enveloppes contenant des supports poreux (voir figures 5, 6, 7 et 8). Ces enveloppes laissent passer l eau purifiée, Cylindre central Séparateur à mailles pour écoulement du concentré Double membrane en enveloppe concentré Lignes d écoulement membrane support poreux d écoulement filtrat membrane concentré Figure 5 : Membrane en montage et coupe d une double membrane en enveloppe. 1 Un micromètre : 1 μm, soit 0, m ou 10-6 m. 2 psi : livre par pouce carré (pounds per square inche) 11

12 nommée filtrat ou perméat; la partie ouverte de ces enveloppes est connectée à un tube central perforé qui laisse sortir le filtrat. Pour rendre ces enveloppes de membranes plus pratiques, elles ont été enroulées sur elles-mêmes avec d autres grillages, appelés séparateurs à mailles et qui sont situés entre chaque enveloppe. Ces séparateurs laissent passer la solution d eau d érable, qui se concentre de plus en plus (voir figures 5, 7 et 8). Cette dernière solution porte le nom de concentré. La membrane se définit par sa hauteur, soit 40 ou 60 pouces (po), son diamètre (4 ou 8 po), de même que sa surface totale déroulée et fonctionnelle (exemple : 400 pi 2 ). La capacité de traitement d une membrane est fonction de sa surface. La cinquième partie du système est la pompe de recirculation qui fonctionne en circuit fermé. Son travail consiste à faire passer, à nouveau et en continue, une partie du concentré à travers la membrane. Le rôle de balayeur de membrane image bien son principal travail. Ainsi, cette Sélectivité Perméabilité Support mécanique Couche de surface ultramince (peau) Couche intermédiaire microporeuse Tissu-support Figure 6 : Configuration d une membrane composite. Figure 7 Module spiralé Figue 7 : Module spiralé. filtrat concentré sève d érable filtrat Figure 8 : Configuration d un module spiralé. recirculation diminue le colmatage pendant les périodes de concentration par la turbulence qu elle crée. De plus, cette même recirculation améliore le décollement des saletés lors de la période de lavage. Elle joue aussi un rôle d équilibrage de concentration sur toute la longueur de la membrane. À ces principaux éléments s ajoutent tout un système de conduites, munies de valves simple direction ou à 3 voies, ainsi qu une cuve de lavage, qui sert pour la circulation en circuit fermé utilisée notamment dans l opération de lavage. 12

13 Pour gérer le concentrateur en tout ou en partie, un tableau de contrôle est doté de plusieurs éléments : - valves pour contrôler la pression et le débit; - démarreurs de pompe d alimentation et de pression; - rotamètres, pour le concentré et le filtrat, munis ou non de valves d échantillonnage, de lumières indicatrices de fonctionnement ou de non-fonctionnement ainsi que certaines pour la haute température; - thermomètre et un ou des manomètres. Filtrat Concentré Le tableau de contrôle est adapté au système choisi selon les besoins. Température C Pression P S I G Rotamètre 5. Les aménagements possibles des membranes Selon les besoins, un système peut se composer d une seule membrane de 4 po par 40 po ou de 8 po par 40 ou 60 po pour de petites entreprises. Pour rencontrer les besoins des grosses entreprises, il est essentiel d utiliser plusieurs membranes pour atteindre des taux de concentration de 8 ºBrix, 15 ºBrix et même 20 ºBrix. Selon les besoins, les membranes sont montées différemment soit en parallèle, soit en série. Valve de contrôle Figure 9 : Panneau de contrôle. Pompe d alimentation Caissons et membranes (parallèle) Pompe d alimentation Caissons et membranes (série) Préfiltration Pompe haute pression Préfiltration Pompe haute pression Circuit d entrée de l eau d érable et de solution plus concentrée Figure 11 : Montage des membranes en série. Circuit d entrée de l eau d érable Le montage des membranes en parallèle Figure 10 : Montage des membranes en parallèle consiste à diriger l eau, en provenance de la pompe haute pression, à toutes les membranes par une conduite (voir figure 10). Évidemment cette pompe devra fournir le débit nécessaire correspondant à la capacité totale du concentrateur. Cette configuration donne de grands débits pour ceux qui veulent fonctionner à faible concentration. Elle n est pas conseillée pour la haute concentration. Elle a aussi 13

14 l avantage que le fonctionnement de chacune des membranes est indépendant des autres. Le montage des membranes en série (voir figure 11) est tel que le concentrée sortant de la première membrane est dirigé vers l entrée de la seconde. Cette dernière va concentrer un peu plus la solution et ainsi de suite. À l image de l échelle, chaque membrane aide à monter la concentration de la solution d érable. Chaque module a un taux d efficacité et un taux de concentration qui lui sont propres. Pour une même installation, le travail de concentration est divisé inégalement par le nombre de membranes en présence, ce qui permet de conserver un débit intéressant. Cette configuration convient à la haute concentration. 6. Le volume mort et le volume mort résiduel Comme décrit dans les sections précédentes, un concentrateur d eau d érable est composé de plusieurs parties, incluant la tuyauterie qui relie ces parties entre elles. Une fois que le concentrateur est en marche, il se remplit d eau d érable, de concentré et de filtrat. Il faudra gérer tout le volume de liquide contenu par l appareil pour bien le nettoyer le temps venu. Lors de l opération de nettoyage, il nous faut connaître les deux types de volumes de solutions retrouvées dans un appareil : le volume mort (VM) et le volume mort résiduel (VMR). 6.1 Définitions de VM et VMR Le volume mort d un concentrateur d eau d érable est le volume de la solution (eau d érable et concentré) qui demeure dans l appareil au terme d un cycle de concentration (voir figure 12). Chaque appareil, selon sa configuration, possède un VM qui lui est propre. L opération de drainage va permettre d extraire la partie libre de ce volume de solution. Vide Rempli Tout ce qui est en jaune est le VM Drainé Tout ce qui reste en jaune est le VMR Figure 12 : Illustration du volume mort (VM) et du volume mort résiduel (VMR). Le volume mort résiduel représente le volume de solution (eau d érable et concentré) qui demeure dans l appareil une fois drainé (voir figure 12). Tout comme le VM, le VMR est spécifique à chaque appareil et il faut le déterminer une fois le système monté. Le VMR 14

15 dépend de toutes les facilités de drainage tant manuelles qu automatique qu offre l appareil tel que les valves ou le démontage de certaines conduites. Plus le drainage est maximisé, plus le VMR est petit. Par contre, il faut faire le drainage comme on le ferait en cours de saison, ni plus ni moins. Ainsi, on aura à travailler toujours avec le même VMR. Comme le volume d eau nécessaire au lavage et au rinçage est dépendant du VMR, il importe que le système permette un bon drainage facile à réaliser. Par exemple, le volume recommandé d un rinçage court est de 30 fois le VMR. 6.2 Comment déterminer les VM et VMR Une des méthodes de détermination du volume mort et du volume mort résiduel consiste à profiter du fait qu en début de saison, le système est vide de tout liquide. Il suffit de connaître le volume d eau disponible avant la mise en marche et de déduire, par les quantités manquantes les volumes recherchés. La méthode de détermination du VM et du VMR se fait comme suit : remplir la cuve de lavage avec une eau propre et adéquate et tracer une ligne repère sur la paroi du réservoir; (si ce réservoir n est pas assez grand, préparer un ou des contenants d eau dont vous connaissez le volume et que vous verserez dans le réservoir au besoin); calculer le volume d eau ainsi préparée (par la dimension des contenants, en pieds cubes, et le facteur de 6,23 gallons impériales au pied cube ou 1000 litres au mètre cube); diriger les sorties du concentré et du filtrat vers la cuve de lavage ; mettre en marche le montage en mode lavage jusqu à stabilisation du niveau du liquide dans la cuve de lavage; arrêter le système; mesurer la différence de hauteur entre la première marque et le niveau actuel; calculer le volume d eau correspondant à cette différence, représentant l eau manquante qui remplit l appareil et toutes ses composantes : c est le VM. 2 e étape : IMPORTANT drainer l appareil; le but est de drainer comme on 1. On a tout intérêt à drainer l appareil comme on le fait en fait en saison; saison. Ainsi il sera facile de diriger et/ou verser l eau de drainage dans la reproduire la même procédure. même cuve de lavage; mesurer la différence de hauteur entre la première marque de référence et le nouveau niveau d eau; calculer le nouveau volume d eau correspondant à cette différence; ce volume représente l eau manquante qui est dans l appareil et toutes ses composantes après drainage; c est le VMR. 7. L achat d un concentrateur d eau d érable Le concentrateur d eau d érable est un investissement important dans une exploitation acéricole. À cette étape, trois personnes sont concernées : l acériculteur, soit le principal 15

16 intéressé, son conseiller et le vendeur fournisseur. Trois acteurs importants dans l élaboration du cahier des charges, l identification des disponibilités dans le marché et la sélection du choix final. 7.1 Votre érablière Afin de réaliser le bon choix, il faut bien établir ses besoins, et pour ce faire, la connaissance de l érablière est indispensable. Voici quelques éléments à mettre sur papier avant d aller rencontrer un fournisseur : le nombre d entailles réelles; le degré Brix du concentré souhaité à produire; la coulée quotidienne de pointe (litres par entaille par jour); la coulée quotidienne lors d une faible coulée (litres par entaille par jour); le pourcentage de la coulée quotidienne de pointe qui sera traitée quotidiennement en % (80 % peut être une valeur correcte, mais c est au propriétaire de déterminer cette valeur); le nombre d heures maximum de concentration par jour choisi par l opérateur (exemple : 10 heures par jour, encore là, c est le choix de l opérateur, de sa situation, de ses contraintes); le nombre d heures minimum de concentration par jour choisi par l opérateur, qui dépend de l évaporateur en place, du besoin pertinent et économiquement valable de mettre en marche l appareil (exemple : 2,5 heures). Un bon conseiller va utiliser ces données avec celles des capacités des concentrateurs du manufacturier et un facteur de séparation donné, par exemple 30 %, et fournir le nombre de membranes nécessaires pour répondre au besoin en concentration de l exploitation. Le Cahier de transfert technologique en acériculture (CTTA), rédigé par le Centre ACER, présente la méthodologie pour calculer soi-même le nombre de membranes. Le facteur de séparation est le pourcentage que représente le débit du concentré sortant par rapport au débit de la sève entrant ; dans notre exemple on parle de 30 %; si 10 gallons par minute de sève entrent, il en ressort 3 gallons de concentré et 7 gallons de filtrat ((3 10) x 100) = 30 %). 7.2 Vos projets d expansion Lors de l élaboration d un projet de concentration d eau d érable, il est important de connaître la situation actuelle pour que le système réponde adéquatement au besoin. Il ne faut pas oublier les projets d acquisition d avenir en autant que faire se peut. Ceci permet de prévoir les futurs aménagements et de planifier déjà les agrandissements qui seront nécessaires. Ceci n oblige en rien le propriétaire par rapport aux achats ou aux locaux futurs, mais permet une meilleure planification. 7.3 Votre fournisseur et vous Avant de choisir un fournisseur et un équipement, certaines précautions peuvent vous aider grandement par la suite. En voici quelques-unes : Bien comprendre les principes de fonctionnement d un concentrateur tel que l osmose, l osmose inverse et la nanofiltration. Connaître toutes les composantes d un système, leur utilité et leur fonctionnement. 16

17 S assurer que le vendeur peut vous fournir toutes les fiches techniques et instructions relatives à l utilisation du concentrateur. Insister auprès du manufacturier pour obtenir la formation technique permettant de se familiariser avec toutes les composantes de l appareil et d en connaître les limites; la formation avant l achat permet de bien comprendre les facilités et difficultés d un appareil par rapport à un autre. S enquérir de toutes les procédures pour bien entreposer l appareil étant donné qu il est en arrêt pendant dix mois de l année. Prendre connaissance des garanties et du service après vente. Si possible, consulter un conseiller technique privé qui n a pas de lien avec aucun fabricant, ce qui ajoute un éclairage nouveau qui est des plus pertinents. Toutes ces précautions sont autant d atouts que le futur investisseur met dans son jeu pour faire un bon choix et par la suite performer et maintenir cette performance. 8. Montage du concentrateur d eau d érable en début de saison En général, tous les systèmes ressemblent au schéma de la figure 13, illustrant le concentrateur avec ses 3 types de bassins : eau d érable, concentré et filtrat en plus de la cuve de lavage. Concentré Filtrat Direction donnée par Direction valves 3 voies donnée par valve 3 voies Réservoir Concentré Réservoir Eau d érable Réservoir Filtrat Cuve lavage Vers évaporateur Drain Drain Drain Filtre Préfiltres Valve Drain Source : CDL Figure 13 : Schéma illustrant d un concentrateur avec les divers bassins reliés par un système de tuyauterie et le drain d évacuation des eaux et solutions à rejeter. Un ensemble de tuyauterie et de valves permet de selon les possibilités suivantes : l eau d érable vers le concentrateur ou le drain; le filtrat vers la cuve de lavage, le concentrateur, les IMPORTANT autres bassins ou le drain. Chauffer le local du le concentré vers l évaporateur ou le drain; concentrateur à un minimum de 15 ºC la solution de lavage vers le concentrateur ou le drain. pendant 24 à 48 heures avant 17

18 Un simple jeu de valves disposées au bon endroit permet toutes ces possibilités et aussi d isoler au besoin certaines parties. Il faut chauffer le local du concentrateur à environ 15 ºC minimum pendant 24 à 48 heures avant la mise en marche afin d éliminer tout résidu d eau glacée se retrouvant dans les pompes ou ailleurs, car ce manquement pourraient occasionner un bri mécanique. 8.1 Montage de la membrane Joint en U (U-cup) Le printemps venu, les préparatifs avant la coulée exigent notamment de revoir toute l installation du concentrateur d eau d érable. La première étape est de procéder au montage des membranes dans les caissons. Entreposée depuis une dizaine de mois dans un caisson d entreposage dans une Source : CDL solution de remisage, la membrane doit être Figure 14 : Joint d étanchéité en «U». transférée dans le caisson du concentrateur. Les étapes d installation peuvent différer légèrement selon les modèles, mais la méthode se ressemble. De prime abord, il faut «suivre les recommandations du fabricant». Les étapes générales sont : sortir la membrane du caisson de remisage; vérifier si les joints d étanchéité, joint torique et joint en «U», sur les bouchons et sur la membrane sont en bon état; s assurer que le joint d étanchéité en «U», s il est changé, soit installé dans la bonne direction par rapport au caisson; enduire les joints toriques (communément appelés «O-Rings») et le joint en U («U-Cup») avec un lubrifiant alimentaire sous forme de graisse afin d obtenir une meilleure étanchéité; insérer un bouchon dans l orifice du filtrat à l extrémité où il y a le joint torique; IMPORTANT installer la soucoupe à cette même extrémité; 1. La bonne direction du joint en U. insérer la membrane dans le caisson métallique avec 2 Enduire les joints soin pour ne pas l altérer en s assurant de la bonne d étanchéité avec une direction; graisse alimentaire. remettre le couvercle et les boulons de serrage. 8.2 Autres raccordements Pour poursuivre l installation du printemps, les autres étapes sont : raccorder toutes les conduites de filtrat et de concentré; installer les débitmètres; vérifier la plomberie et les connections aux différents bassins; 18

19 placer des préfiltres neufs et lubrifier les joints IMPORTANT d étanchéité; 1. Placer des préfiltres neufs. faire tourner de quelques tours les moteurs à 2. Disjoncteur à «On». l aide d un tournevis avant démarrage comme 3. Attendre que les caissons recommandé par certains fabricants et lorsque soient remplis, pour brancher les pompes de possible; faire tous les raccordements électriques; recirculation. 4. Vérifier les fuites. ne pas brancher les pompes de recirculation ou faire en sorte que son interrupteur soit à «Off»; pousser le disjoncteur en position «On» dans la boîte électrique; vérifier les fuites et les corriger lors de la mise en marche. 19

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21 9. Mise en marche en début de saison Février arrive et les membranes reposent dans leur caisson d entreposage dans une solution bactéricide (telle que le métabisulfite de sodium) et parfois contre le gel (tel le glycol) depuis près de dix mois. On doit éliminer cette solution et parfois remplacer une membrane par une neuve. Ces deux situations se ressemblent, mais il y a de petites différences significatives pour leur mise en marche. 9.1 Les membranes de l année dernière Le premier cas, le plus usuel, est de démarrer une saison avec les membranes de l année précédente. Il faut une eau de qualité pour les remettre en marche L eau disponible Une fois le montage terminé, la préparation se fait avec de l eau de qualité étant donné l absence de filtrat. Une eau de qualité possède les propriétés suivantes : fer < 0,3 milligramme par litre (mg/l) IMPORTANT Faire analyser l eau disponible à la cabane à sucre pour connaître son potentiel d utilisation. manganèse :. < 0,2 mg/l chlore : aucun dureté :... < 100 ppm (parties par million) conductivité électrique.300 à 400 microsiemens (μs/cm) caractéristiques microbiologiques : bactéries atypiques : < 200 UFC/100 ml (Unités Formant une Colonie par 100 millilitres) flore coliforme : < 10 UFC/100 ml Une bonne analyse de l eau disponible sur le site permet de connaître son potentiel d utilisation. Le fer, la dureté et les caractéristiques microbiologiques sont les trois éléments à faire vérifier. Le propriétaire se chargera de mesurer la conductivité. Si l eau sur place ne convient pas, demandez aux voisins si leur eau pourrait faire l affaire. Sinon, pour ceux qui ont une vieille membrane mise de côté, ils peuvent se préparer du filtrat en concentrant l eau disponible sur place. Il faudra vérifier sa conductivité électrique. Une autre option, comme on est en mode rinçage et non en mode concentration, consiste à utiliser la première eau d érable, sans résidu de lavage, pour réaliser l entretien (voir section14, pour voir ce que peut être l entretien) de la membrane La préparation des membranes Remettre en fonction le concentrateur implique un certain nombre d actions d entretien sur la membrane pour éliminer toute trace de métabisulfite de sodium (MTBS) et de glycol. En tout premier lieu, il est important de «suivre les recommandations du fabricant». Si elles s avéraient incomplètes ou manquantes, voici quelques suggestions : Le cas de la membrane entreposée dans du MTBS uniquement : 1

22 rincer en circuit ouvert avec le volume d eau nécessaire, soit la somme de la moitié de la capacité de traitement de chacune des membranes : o diriger la sortie du filtrat et du concentré vers le drain; o faire fonctionner en circuit ouvert, à basse pression ou en mode rinçage selon l appareil. Exemple : capacité de 600 gph us (gallon américain par heure) 300gph us x 0,833 gph imp /gph us = 250 gph imp. (gallon impérial par heure) système à 5 membranes 8 x 40 po volume d eau nécessaire : 250 gph imp. x 5 = gph imp. Note : Ce n est pas le moment de faire un test de perméabilité à l eau pure (PEP); il est préférable d attendre après la première période de concentration; alors on aura notre PEP de début d année qui servira de référence pour toute la saison. Le cas de la membrane entreposée dans le MTBS et le glycol : rincer avec un volume d eau équivalent à la somme de la moitié de la capacité de traitement de chacune des membranes : o diriger la sortie du filtrat et du concentré vers le drain; o faire fonctionner en circuit ouvert, à basse pression ou en mode rinçage selon l appareil. IMPORTANT S assurer qu aucune trace de MTBS et de glycol ne demeure dans la membrane avant la concentration d eau d érable. effectuer un lavage basique en circuit fermé avec : o 7,5 g imp. /membrane de 4 x 40 po; o 15 g imp. /membrane de 8 x 40 po; o 22,5 g imp. /membrane de 8 x 60 po. Pour déterminer la quantité d eau à mettre dans la cuve de lavage, il faut tenir compte du VM qui est l eau contenue dans l appareil et contribuant au lavage aussi. L exemple qui suit et la section sur le lavage basique illustrent ce calcul; drainer; réaliser un rinçage court (à froid) avec 30 VMR (voir section ); faire un lavage basique; drainer; rinçage court (à froid) avec 30 VMR. Exemple : Membranes remisées dans le MTBS et le glycol Concentrateur : 5 membranes de 8 x40 po de 600 gph us chacune ou 500 g imp VM : 45 g imp VMR : 6 g imp 2

23 Volume d eau nécessaire pour tous les lavages et rinçages : {5 x (½ capacité)} + {2 x [(15 g imp. x 5 memb.) VM]} + { 2 X (30 x VMR)} {5 x ( 250 g imp. )} + {2 x [(75 g imp. ) - 45 g imp ]} + {2 x (30 x 6 g imp.)} {1250 g imp. )} + {60 g imp } + {360 g imp.} Volume d eau nécessaire : g imp Note : Ce n est pas le moment de faire un test PEP; il est préférable d attendre après la première période de concentration; alors on aura notre PEP de début d année qui servira de référence pour toute la saison. 9.2 Une membrane neuve Il est très important de conditionner une membrane neuve pour qu elle puisse performer et afin d adapter cette dernière à l eau d érable à traiter. Avant cette étape, il faut toutefois nettoyer la membrane de tout résidu contenu dans cette dernière à la livraison. La qualité de l eau utilisée est de très grande importance et il faut consulter la section L eau disponible pour s assurer d une eau adéquate. IMPORTANT Pour une membrane neuve, un bon nettoyage suivi d une période de concentration de sève de 24 heures cumulatives et d un entretien est un bon conditionnement. Après, il faut faire le PEP, qui sera celui de référence. Le nettoyage recommandé suit les étapes suivantes : rincer avec un volume d eau équivalent à la somme de la moitié de la capacité de traitement de chacune des membranes : o diriger la sortie du filtrat et du concentré vers le drain; o faire fonctionner en circuit ouvert, à basse pression ou en mode rinçage selon l appareil. effectuer un lavage basique en circuit fermé avec : o 7,5 g imp. /membrane de 4 x 40 po; o 15 g imp. /membrane de 8 x 40 po; o 22,5 g imp. /membrane de 8 x 60 po. Pour déterminer la quantité d eau à mettre dans la cuve de lavage, il faut tenir compte du VM qui est l eau contenue dans l appareil qui contribuera au lavage aussi. L exemple précédent et la section sur le lavage basique illustrent ce calcul. drainer; effectuer un rinçage court (à froid) avec 30 VMR. Le conditionnement de la membrane s effectue en concentrant la sève d érable pendant une période minimale de 24 heures, de préférence en continue, sinon au cumulatif 3

24 (exemple : 3 journées de 8 heures de concentration). Après cette période, on procède à un cycle de lavage-rinçage très important de la membrane, pour aller chercher une référence essentielle, soit la perméabilité à l eau pure (PEP) de référence qui servira de comparaison toute la durée de vie de la membrane. L entretien se fait comme suit : désucrage (voir section ); rinçage long à chaud (voir section ); lavage basique en circuit fermé avec : o 7,5 g imp. /membrane de 4 x 40 po; o 15 g imp. /membrane de 8 x 40 po; o 22,5 g imp. /membrane de 8 x 60 po (voir section pour détail sur lavage basique). rinçage court (à froid) avec 30 VMR (voir section ); test PEP afin de déterminer la perméabilité à l eau pure qui sera considérée comme référence (PEP INITIAL ) pour la vie de la membrane (voir section 11). 10. Mode concentration Chaque compagnie donne ses recommandations de concentration. Alors, il primordial de «suivre les recommandations du fabricant». Si elles s avéraient incomplètes ou manquantes, voici quelques suggestions : 10.1 À prime abord En mode concentration, il faut connaître les limites de l appareil, c est-à-dire dans quelles conditions il est le plus performant. Une membrane ou plusieurs membranes montées en parallèle ne donnera pas du 20 ºBrix à un débit acceptable. Il est recommandé de s en tenir en deçà de ces limites. La connaissance du produit à concentrer, en l occurrence l eau d érable, permet de voir venir les difficultés. En effet, une eau de début ou de fin de saison a plus d effets sur le colmatage des membranes qu une eau de milieu de saison. Aussi, bien connaître les facteurs qui influencent le débit de filtration permet de réagir convenablement au bon moment. Le taux de filtration est défini par : la quantité de filtrat qu une membrane peut extraire de la solution à concentrer par unité de temps (en anglais «permeate rate»). Voici ces facteurs : la surface des membranes, le matériau les composant, la technique d enroulement, la hauteur et le diamètre de la cellule; la concentration recherchée : plus on augmente la concentration, plus la pression osmotique augmente et plus le taux de filtration baisse, et l inverse est vrai; la température : plus la température de l eau d érable augmente, plus le taux augmente; 4

25 la propreté et le colmatage de la membrane affecte à la baisse le taux de filtration; l usure normale de la membrane aussi. D autres considérations à tenir compte lors de la concentration sont : planifier la concentration de telle sorte que le concentré sera bouilli le plus vite possible; l eau d érable et les produits de lavage ou de remisage ne devraient jamais venir en contact; tenir compte des caractéristiques de l évaporateur : chauffage, ratio des surfaces des pannes à fond plat et à plis afin d adapter ces derniers à la concentration d arrivée de la sève et éviter le problème de dépôts calcaires dans la panne à plie On concentre Avant de débuter dans cette section, une précision s impose à propos des mots «vanne» et «valve» souvent utilisés dans les manuels d instructions. Ces deux mots représentent la même réalité, soit un dispositif mécanique qui règle le passage ou non d un liquide, et seront utilisés indifféremment. Après avoir pris en considération tous les tenants et aboutissants de la concentration, la démarche pourrait ressembler à celle-ci : 1. remplacer les préfiltres de lavage si on fait suite à un lavage; 2. fermer toutes les vannes pour s assurer qu il n y a pas d erreur de circuit; 3. ouvrir la vanne d alimentation en «eau d érable»; 4. s assurer que tuyau d amenée d eau soit plein avant le départ, parce que les pompes ne sont pas faites pour tourner à sec (situation qui peut survenir lorsque le réservoir est loin du concentrateur); 5. ouvrir les vannes pour diriger, vers le drain, les premiers jets de filtrat et de concentré; 6. ouvrir les valves sur chaque caisson, ou peser sur le bouton du préfiltre ou de tout autre dispositif, qui permet d éliminer les poches d air dans la plomberie et les pompes à turbine; 7. ouvrir complètement les vannes «concentré» et «pression» ou selon les recommandations du fabricant. Par exemple, CDL écrit d ouvrir la valve de concentration d un tour et celle de pression de deux tours; IMPORTANT 1. Changer les préfiltres de lavage 2. Bien connaître et maîtriser toutes les vannes 3. Les pompes ne doivent pas tourner à sec 4. S assurer que tous les caissons sont remplis avant d enclencher les pompes de recirculation 5. Évaluer le rapport des débits «filtrat : concentré» afin d obtenir la concentration fixée au départ 6. Mesurer le ºBrix du concentré pour faire les ajustements nécessaires 8. appuyer le bouton «Départ en mode concentration» et le témoin vert s allume; 9. rediriger, après environ une minute, les vannes de concentré et de filtrat vers leur réservoir respectif; 10. attendre de voir passer le concentré dans le débitmètre; 11. enclencher les pompes à recirculation (connexion ou interrupteur); maintenir une pression supérieure à 20 psi (entre 30 et 60 psi); certains concentrateurs arrêtent automatiquement si la pression est inférieur à 20 psi; 5

26 12. mesurer la concentration de l eau d érable au réfractomètre ou autre instrument; 13. respecter le taux de conversion maximal du système que vous avez : taux de conversion de 70 % par membrane soit un rapport filtrat-concentré à 7 3, soit un si on concentre à plus haut ºBrix avec plusieurs membranes, le taux de conversion va augmenter ; demander à votre fournisseur les valeurs à respecter; 14. évaluer le rapport entre le débit du concentré et le débit du filtrat Données de départ : concentration eau d érable, concentration concentré choisie : W filtrat = (( ºBrix conc ºBrix eau ) 1) x W conc W filtrat : débit du filtrat (GPM) W conc : débit du concentré (GPM) ºBrix eau : concentration eau érable ºBrix conc : concentration du concentré. Exemple : L eau est à 2,5 ºBrix et la concentration du concentré choisie, de 12 ºBrix Si on met le débit du concentré à 1 GPM W filtrat = ((12 2,5) 1) x 1 = 3,8 GPM Le rapport «concentré : filtrat» est de «1 : 3,8» En d autres mots si le débitmètre du concentré indique 3 GPM, celui du filtrat sera 11,4 GPM (3 x 3,8), afin de garder le même rapport. 15. ajuster le débit du concentré et la pression afin de suivre le rapport concentréfiltrat et aussi pour ne pas dépasser la pression permise; 16. prendre un échantillon de concentré par la valve du débitmètre. une fois le système stabilisé (environ après 10 minutes de fonctionnement) et analyser au réfractomètre la concentration; 17. ajuster à nouveau le débit du concentré et refaire le test de concentration et ajuster au besoin; 18. mesurer la concentration du concentré régulièrement en cours de journée pour maintenir une certaine régularité. 11. Le colmatage Le colmatage d une membrane peut être défini comme l ensemble des phénomènes qui interviennent dans la modification de ses propriétés filtrantes, à l exception de la compaction et de la modification chimique. Le colmatage entraîne des variations de perméabilité qui peuvent être réversibles ou irréversibles. C est un mécanisme complexe qui peut être amplifié avec l augmentation de pression. Les agents colmatants se divisent en deux catégories : Résidus solubles dans l eau, pouvant être éliminés par une étape de rinçage, tel le sucre; Résidus non solubles dans l eau, formant une couche poreuse et résistante : o Protéines (éliminées par détergents basiques); o Sels, colmatage sévère, (éliminés par détergents acides); o Micro-organismes (éliminés par détergents basiques); o Colloïdes (la préfiltration enlève des colloïdes; éliminés en général par un détergent basique); o Polysaccharides insolubilisés (éliminés en général par un détergent basique). 6